??? 摘 要： 針對P2P技術(shù)在IPTV中應(yīng)用的研究熱點，提出了一種基于超級節(jié)點" title="超級節(jié)點">超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充分利用了P2P技術(shù)在交互式應(yīng)用方面的" title="面的">面的優(yōu)勢，使構(gòu)建更加靈活有效的IPTV業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為可能。
??? 關(guān)鍵詞： P2P? IPTV? P2P-IPTV? 體系結(jié)構(gòu)
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??? 根據(jù)ITU-T的最新定義，IPTV就是在IP網(wǎng)絡(luò)上傳送包含電視、視頻、文本、圖形和數(shù)據(jù)等，并提供服務(wù)質(zhì)量/服務(wù)感受(QoS/QoE)保證、安全性、交互性和可靠性的可管理的多" title="的多">的多媒體業(yè)務(wù)。由此可以看出，IPTV明顯有別于互聯(lián)網(wǎng)流媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)。IPTV的典型應(yīng)用目前主要包括直播電視、時移電視和視頻點播等視頻類應(yīng)用及上網(wǎng)瀏覽等信息類應(yīng)用。但現(xiàn)在的IPTV技術(shù)還存在服務(wù)效率低、重定向機制復雜、網(wǎng)絡(luò)需要更高帶寬、資源調(diào)度不靈活等問題，如果不能有效解決大規(guī)模用戶對交互式多媒體應(yīng)用的需求問題，IPTV將不得不受限于此瓶頸。P2P技術(shù)對交互式媒體應(yīng)用的支持能夠擴展到大規(guī)模用戶群，這為互聯(lián)網(wǎng)以及一些電信級應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展提供了充足的空間。為了更好地滿足IPTV業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，有必要研究更為先進的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。作為P2P技術(shù)在IPTV中應(yīng)用的研究問題之一，本文提出了一種基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充分利用了P2P技術(shù)在交互式應(yīng)用方面的優(yōu)勢，使構(gòu)建更加靈活有效的IPTV業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為可能。
1 P2P技術(shù)簡介
??? P2P技術(shù)，也稱為對等計算（Peer to Peer）技術(shù)，是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的思想。在P2P結(jié)構(gòu)中，每一個節(jié)點（peer）大都同時具有信息消費者、信息提供者和信息通信等三方面的功能。在P2P網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點所擁有的權(quán)利和義務(wù)都是對等的。P2P是一種分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源（處理能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)連接能力、打印機等），這些共享資源需要由網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)和內(nèi)容，能被其他對等節(jié)點(Peer)直接訪問而無需經(jīng)過中間實體。在此網(wǎng)絡(luò)中參與者既是資源（服務(wù)和內(nèi)容）提供者（Server），又是資源（服務(wù)和內(nèi)容）獲取者（Client）。P2P打破了傳統(tǒng)的Client/Server (C/S)模式，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點的地位都是對等的。每個節(jié)點既充當服務(wù)器，為其他節(jié)點提供服務(wù)，同時也享用其他節(jié)點提供的服務(wù)。
??? P2P系統(tǒng)一般要構(gòu)造一個非集中式的拓撲結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造過程中需要解決系統(tǒng)中所包含的大量節(jié)點如何命名、組織以及確定節(jié)點的加入/離開方式、出錯恢復等問題。根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)的關(guān)系可以將P2P研究分為4種形式：中心化拓撲（Centralized Topology）；全分布式非結(jié)構(gòu)化拓撲（Decentralized Unstructured Topology）；全分布式結(jié)構(gòu)化拓撲（Decentralized Structured Topology，也稱作DST網(wǎng)絡(luò)）和半分布式拓撲（Partially Decentralized Topology）。表1中比較了4種結(jié)構(gòu)的綜合性能。
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??? P2P系統(tǒng)具有非常良好的可擴展性" title="可擴展性">可擴展性，能夠在較低成本情況下完成資源的聚合和共享，也允許peer在彼此數(shù)據(jù)的管理和資源共享上擁有較大的自治控制。由于其出色的性能，基于部分Serverless和完全Serverless的P2P技術(shù)，出現(xiàn)了大量的互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)增值業(yè)務(wù)，例如分布計算、協(xié)同工作、文件共享、即時通信等。
??? 目前大多互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用都是基于傳統(tǒng)的C/S模式的，IPTV也是如此。C/S模式使得網(wǎng)絡(luò)上的資源向服務(wù)器端集中，用戶之間的通信高度依賴于服務(wù)器，無法直接交流信息。因此，在網(wǎng)絡(luò)性能方面，P2P的優(yōu)點在于它是基于互聯(lián)網(wǎng)的對等架構(gòu)，可以大大改善資源的流量分布，解決網(wǎng)絡(luò)擁塞和帶寬的瓶頸問題，減緩存儲服務(wù)器的響應(yīng)壓力。在通信方式上，基于P2P的系統(tǒng)由于peer之間的協(xié)作，具有高度的容錯性和非常好的可擴展性，可以快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布和資源的聚合，數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r性和成本都具有C/S所無法比擬的優(yōu)越性。圖1所示為C/S與P2P模式的比較。
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2 IPTV工作原理與層次結(jié)構(gòu)
??? IPTV利用IP寬帶網(wǎng)絡(luò)，以“電視機+機頂盒”為主要終端設(shè)備，為用戶提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的互動多媒體服務(wù)" title="多媒體服務(wù)">多媒體服務(wù)的寬帶增值業(yè)務(wù)。其工作原理與基于互聯(lián)網(wǎng)的電話服務(wù)VoIP相似，它把呼叫分為數(shù)據(jù)包，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送，然后在另一端進行復原。其過程與多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸過程大致相同。首先是編碼，即對原始的電視信號數(shù)據(jù)進行編碼，轉(zhuǎn)化成適合Internet傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式；然后通過互聯(lián)網(wǎng)傳送，最后解碼通過電腦或是電視播放。但因為所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是視頻和同步的聲音，如果效果達到普通的電視效果每秒24幀甚至是DVD效果，顯然所要求的傳輸速度是非常高的。
??? IPTV能提供點播、廣播/直播、視頻通信、短信/彩信、信息服務(wù)、游戲等業(yè)務(wù)。IPTV技術(shù)是一項系統(tǒng)技術(shù)，主要包括音視頻編解碼技術(shù)、流媒體傳送技術(shù)、寬帶接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、IP機頂盒技術(shù)等。IPTV的特點主要包括：
??? ①采用高效的視頻壓縮技術(shù)，用戶可以得到高質(zhì)量(DVD水平)的數(shù)字媒體服務(wù)；
??? ②用戶可有極其廣泛的自由度，隨意選擇寬帶IP網(wǎng)上各網(wǎng)站提供的視頻節(jié)目；
??? ③實現(xiàn)媒體提供者和媒體消費者的實質(zhì)性互動。IPTV能根據(jù)用戶的選擇配置多種多媒體服務(wù)功能，包括數(shù)字電視節(jié)目、可視IP電話、DVD/VCD播放、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽、電子郵件，以及多種在線信息咨詢、游戲、娛樂、教育及商務(wù)功能等。
??? 從層次結(jié)構(gòu)上分析，一個典型的IPTV系統(tǒng)主要包含支撐層、業(yè)務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)承載層和終端層等部分，如圖2所示。支撐層主要完成IPTV用戶的管理認證授權(quán)以及系統(tǒng)設(shè)備的管理。業(yè)務(wù)層主要是為IPTV提供多種多樣的多媒體交互業(yè)務(wù)，如視頻點播業(yè)務(wù)，體育直播業(yè)務(wù)等；網(wǎng)絡(luò)承載層主要是IPTV的物理介質(zhì)，要求帶寬比較大，最好支持組播，并具有一定的安全保護措施，具體又可分為接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)和核心網(wǎng)三個部分。終端層則表示IPTV的最終用戶，他們通過網(wǎng)絡(luò)承載層進行不同方式的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，并在PC或者配合機頂盒的TVSet上觀看電視節(jié)目。
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3 基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)
??? 目前，IPTV都是基于C/S模式的，運行在支持組播實時業(yè)務(wù)和點播存儲媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用的IP網(wǎng)絡(luò)中，需要面對十萬、百萬規(guī)模的大并發(fā)多媒體服務(wù)的挑戰(zhàn)，在服務(wù)器I/O能力、帶寬、海量存儲、部署成本等方面都將受到前所未有的考驗。當大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)用戶同時收看節(jié)目時，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和QoS，ICP必須用大量服務(wù)器來平衡網(wǎng)絡(luò)訪問負載，并增加網(wǎng)絡(luò)出口帶寬。但是，服務(wù)器數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)容量的增加永遠會落后于用戶規(guī)模的增長。過渡性的解決辦法是采用組播傳輸技術(shù)來提供廣播服務(wù)或者采用內(nèi)容傳輸網(wǎng)等覆蓋網(wǎng)技術(shù)，但需要對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進行升級改造，這將大大增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，浪費已有的資源投資。
??? 為了徹底解決問題，必須突破C/S模式體系結(jié)構(gòu)，引入P2P重疊網(wǎng)的理念和技術(shù)。圖3所示為一種基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)綜合了第一代中央控制網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和第二代分散分布體系結(jié)構(gòu)的IPTV的優(yōu)點，屬于第三代P2P體系結(jié)構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點采用集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，聚合用戶；在超級節(jié)點之間采用分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為IPTV的穩(wěn)定度協(xié)同工作。分布式放置的超級節(jié)點取代了中央索引檢索服務(wù)器，同時，采用分層次的快速搜索算法改進IPTV的多媒體資源和內(nèi)容的搜索性能，縮短了電視節(jié)目的反應(yīng)速度和頻道切換速度。具有高性能的超級節(jié)點彼此間相互協(xié)作，即使一個超級節(jié)點崩潰，相應(yīng)的節(jié)點仍然與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有連接，并在新的頻道的搜索中使用新的超級節(jié)點。超級電視節(jié)點也是一種終端，只是其處理能力或帶寬能力較強，被系統(tǒng)選為超級節(jié)點。當其退出系統(tǒng)時，由于超級節(jié)點的分布式連接，并不影響終端用戶的對等服務(wù)搜索過程。其他超級節(jié)點可代替提供相關(guān)服務(wù)，從而保證了P2P-IPTV系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定性，也為系統(tǒng)規(guī)模的擴展提供了良好的接口。
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??? 與Skype中的超級節(jié)點類似，P2P-IPTV的體系結(jié)構(gòu)中的超級節(jié)點其實也是一個節(jié)點，可作為一個動態(tài)的點對點的索引服務(wù)器。超級節(jié)點還可為處于局域網(wǎng)NAT或者防火墻的IPTV用戶建立與外界用戶節(jié)點間的連接并為其媒體流做轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。
??? 基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)可以使得IPTV業(yè)務(wù)的廣播和轉(zhuǎn)播等門檻得到降低，可以讓更多用戶參與并使自制的多媒體內(nèi)容得到基于全球覆蓋的共享和分發(fā)，同時還可以節(jié)約電信運營商之間的對接流量，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。
??? IPTV起源于互聯(lián)網(wǎng)流媒體技術(shù)，盡管技術(shù)基礎(chǔ)和基本功能是一致的，互聯(lián)網(wǎng)上運行的IPTV系統(tǒng)與電信級的IPTV系統(tǒng)在功能、性能和可靠性等方面都差異很大。尤其在IP的盡力而為的網(wǎng)絡(luò)傳送方式下，如何利用技術(shù)手段保證用戶的IPTV業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，一直都是IPTV技術(shù)試圖克服的難題。本文研究的基于超級節(jié)點的P2P-IPTV體系結(jié)構(gòu)，充分利用了P2P技術(shù)在交互式應(yīng)用等方面的優(yōu)勢，使構(gòu)建更加靈活有效的IPTV業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)成為可能。
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